菊花苗期氮高效品种资源筛选及氮效率评价体系建立

葛礼姣,方馨妍,张云月,罗孟婷,管志勇,陈素梅,房伟民,陈发棣,赵爽

(南京农业大学园艺学院/农业农村部景观农业重点实验室,江苏 南京 210095)

菊花(Chrysanthemummorifolium)是我国十大传统名花和世界四大鲜切花之一,观赏及经济价值极高,且具有深厚的文化底蕴。近年来,菊花已成为世界销量最大的鲜切花之一,且中国菊花的出口创汇占比逐年增加。随着菊花种植面积的不断扩大,肥料使用量逐年增加,其中,氮肥在肥料使用中占主导地位,且普遍存在氮肥利用效率低下[1]、氮肥施用量与作物产量及品质呈非正比增长、栽培土壤理化性状劣化[2]以及水体富营养化[3]等问题,给菊花的可持续生产带来巨大的阻碍。

不同基因型作物对氮素的吸收、积累和利用存在显著差异性[4-8]。在不同供氮水平下筛选具有产量增长潜力的氮高效品种,是提高氮肥利用效率,减少氮肥损失以及作物高效栽培的重要途径[9]。目前,作物氮高效品种评价的相关研究在水稻[9-11]、玉米[8,12]、油菜[13]等作物中已有大量报道。张玉屏等[11]以产量、干物质量及植株氮含量等重要指标,从12个常用的水稻品种中筛选出3个氮高效品种,发现氮高效型品种在不同氮肥处理下均具有较高的产量和氮素生理利用率;郭松等[12]依据产量的基因型×氮互作效应对玉米品种进行氮效率分类,筛选出在不同环境(简阳和中江)和不同供氮水平(低、中、高)下均表现出高产特性的氮高效玉米品种;王改丽[14]以低氮胁迫下苗期地上部干重和成熟期籽粒产量为主要筛选指标,从48份甘蓝型油菜材料中确定了新型甘蓝型油菜D4-9和D4-15为苗期氮高效种质,发现低氮条件下,氮高效品种具有发达的根系形态,较大的地上部干重和籽粒产量。

目前,关于菊花品种资源的相关研究大多集中在资源收集[15]、生根能力评价[16]以及抗性评价[17]等方面,而氮高效资源收集及评价体系建立等相关研究鲜见报道。本研究在不同供氮水平下,综合菊花苗期生理指标(株高、茎粗、鲜重、干重和氮含量等)以及氮效率指标(氮吸收效率和氮利用效率),对不同基因型的菊花进行系统评价,筛选出具有不同苗期氮素营养效率的菊花种质资源,确定适宜筛选氮高效种质资源的氮肥水平,明确关键氮效率评价指标,构建菊花苗期氮高效评价体系,为充分挖掘和利用菊花的自身潜力、培育氮高效品种、从生物学途径提高氮肥利用率以及菊花的可持续性发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020年4—11月在南京农业大学中国菊花种质资源保存中心进行。供试材料为28个切花菊品种:‘南农碧云’‘南农小丽粉’‘南农红杏’‘南农圣诞’‘南农丰收’‘南农春晓’‘南农落雁’‘南农紫峰’‘南农金焰’‘旭风车’‘南农丽风车’‘南农红雀’‘南农冰洁’‘南农紫云英’‘南农单金翠’‘南农旭日’‘南农雪峰’‘南农俏风车’‘南农粉风车’‘南农火风车’‘南农晓阳’‘南农绿意’‘南农岱华’‘南农春茶’‘南农庐月’‘南农茑萝’‘南农小金帽’和‘南农丽黄’,均由南京农业大学中国菊花种质资源保存中心提供。生长基质为质量比2∶1混合的纯椰糠和珍珠岩,混合后基质的化学性质:铵态氮68.13 mg·kg-1,速效磷14.11 mg·kg-1,速效钾3 794.62 mg·kg-1,pH6.99,EC为448 μS·cm-1。试验选取的氮、磷、钾肥分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O518%)和硫酸钾(含K2O 50%)。将28个菊花品种扦插生根后,取生长一致的扦插苗定植于温室基质槽内进行常规管理。

1.2 试验方法

采用裂区试验设计,氮素营养水平设为主区,品种设为副区,共28个品种,4次重复,每重复30株。试验设3个供氮水平,分别为:每株纯氮16.67 mg(低氮)、133.33 mg(正常氮)和266.67 mg(高氮);磷肥均为每株纯磷26.67 mg;钾肥均为每株纯钾167 mg。施肥以滴灌的形式分3次施入,每次间隔10 d。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标的测定不同供氮水平下,每品种选取6株代表性的菊花植株,测定植株株高(植株基部到生长点)和茎粗(植物下部至上1/3处的粗度)。植物表面冲洗和根系漂洗、吸干表面水分后,采用电子天平测定根、茎、叶鲜重。将样品于105 ℃杀青30 min后,75 ℃烘干至恒重,测定根、茎、叶干重。

1.3.2 植物养分含量的测定将烘干的样品用H2SO4-H2O2消煮后,使用AA3型连续流动分析仪测定植株全氮。

1.3.3 氮效率相关指标的计算[9]氮累积量(NA,mg)=干重×含氮量;氮素吸收效率(NupE)=植株氮累积量/施氮量;氮素利用率(NutE)=干重/氮素累积量。

1.4 数据处理和统计分析

1.4.1 统计分析及绘图采用Excel 2010软件进行数据初步统计与整理,采用R4.0.1软件绘制热图,采用SPSS 22.0软件进行方差分析,采用Duncan’s法进行多重比较分析。

1.4.2 主成分分析使用SPSS 22.0软件标准化上述指标的原始测量值,进行主成分分析[16,18],并根据特征值和累积贡献率确定主成分个数n,计算每个主成分内各指标的综合指标值Fi(i=1,…,n)与各主成分权重W。主成分权重W=贡献率/累积贡献率;综合指标值Fi计算为:F1=a11ZX1+a21ZX2+…+ap1ZXp;F2=a12ZX1+a22ZX2+…+ap2ZXp;…;Fi=a1iZX1+a2iZX2+…+apiZXp。式中:a1i、a2i、…、api(i=1,…,n)为X的特征值所对应的特征向量;ZX1、ZX2、…、ZXP是原始变量经过标准化处理的值。

1.4.3 每品种综合得分计算[16]采用隶属函数法,计算每个主成分的隶属函数值(Ui)。Ui=(F-Fmin)/(Fmax-Fmin)。每品种综合得分D=∑U·W。其中,Fmax和Fmin分别为综合指标最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平下菊花苗期性状变异分析

由表1可见:不同菊花品种苗期的各项测定指标对不同供氮水平均有不同程度的响应。高氮水平下,各生长指标的变异系数范围为18.57%～46.75%,其中叶鲜重的变异系数最大,为46.75%,茎粗的变异系数最小,为18.57%。正常氮水平下,各生长指标的变异系数范围为18.63%～43.53%,其中茎鲜重的变异系数最大,为43.53%,茎粗的变异系数最小,为18.63%。表明在高氮和正常氮水平下,各生长指标间的变异相差较小,大多数品种的生长势趋于一致。低氮水平下,菊花长势较差,具体表现为植株细矮。氮素含量减少,导致植株干物质积累量降低,各指标间的变异幅度相差较大。茎粗、叶鲜重、茎鲜重、根鲜重、叶干重、茎干重等6个生长指标在低氮水平下的变异系数均大于正常氮和高氮水平,变异系数范围为24.60%～63.09%。

表1 不同氮水平下28个切花菊品种苗期17个指标的变异统计Table 1 Variation statistics of 17 indexes of 28 cut chrysanthemum varieties at seedling stage under different nitrogen levels

高氮水平下,植株地上部氮吸收效率和氮利用效率指标的变异系数均低于正常氮及低氮水平;正常氮水平下,植株地上部氮利用效率变异最大,变异系数范围为47.46%～105.78%;低氮水平下,植株各部位氮吸收效率变异最大,变异系数范围为57.17%～63.09%。表明低氮处理加大了种质间的差异,高氮处理限制了部分品种对氮的吸收利用,因此,低氮更适宜用于筛选氮高效品种。

2.2 不同氮水平下菊花苗期各指标间的相关分析

由图1可见:高氮水平下,28个切花菊品种的株高、茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率指标之间呈极显著正相关(P<0.01),相关系数为0.49～0.94;正常氮水平下,株高、茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率指标之间呈极显著正相关,相关系数为0.52～0.87;低氮水平下,各指标间相关性变强,茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率、根氮吸收效率指标之间呈极显著正相关,相关系数为0.43～0.94。综上,不同氮水平下,氮吸收效率指标与株高、茎粗、地上部鲜干重、地上部氮含量指标间呈显著正相关;氮利用效率在低氮水平下与各生理指标及氮吸收效率间呈显著负相关,高氮和正常氮水平下与各生理指标及氮吸收效率间无明显规律,表明菊花的苗期氮效率主要是由氮吸收效率所决定的。

图1 不同氮水平下28个切花菊品种苗期17个指标的相关性分析Fig.1 Correlation analysis of 17 indexes of 28 cut chrysanthemum varieties at seedling stage under different nitrogen levelsa.高氮水平High nitrogen level;b.正常氮水平Normal nitrogen level;c.低氮水平Low nitrogen level.

2.3 菊花苗期各指标的主成分分析

对17个相关指标进行主成分分析,从高氮、正常氮和低氮水平中各抽取了4个主成分,各水平下抽取的主成分的累计贡献率分别为84.05%、86.91%和87.43%,各主成分特征值均大于1(表2),满足于提取主成分个数的原则,即4个主成分可以解释17个指标的全部信息(Kaiser-Meyer-Olkin抽样适度检测值>0.6;Bartlett检验,Sig<0.05)。

表2 不同氮水平下各因子载荷矩阵Table 2 Component matrix under different nitrogen levels

由表2可见:不同氮水平下,主成分1贡献率范围为46.48%～56.97%,主要包含地上部对氮的吸收与物质积累信息,指向性指标为茎粗(0.834～0.870)、叶鲜重(0.840～0.900)、茎鲜重(0.860～0.927)、叶干重(0.743～0.840)、茎干重(0.867～0.892)、叶氮吸收效率(0.838～0.920)、茎氮吸收效率(0.900～0.936),其中茎鲜重、茎干重和茎氮吸收效率的载荷较高,说明茎部指标对综合指标贡献较大。主成分2的贡献率范围为13.92%～16.12%,高氮水平下,主成分2主要包含了根系对氮的吸收与利用信息,指向性指标为根氮含量(0.845)、根氮吸收效率(0.884)、根氮利用效率(-0.886);正常氮水平下,主成分2主要包含了叶的氮素累积及叶和根的氮利用信息,指向性指标为叶氮含量(0.642)、叶氮利用效率(-0.684)及根氮吸收效率(0.772);低氮水平下,主成分2主要包含了根的物质积累与氮吸收信息、茎对氮的累积与利用信息,指向性指标为根鲜重(0.580)、根干重(0.610)、根氮吸收效率(0.570)、茎氮含量(-0.560)、茎氮利用效率(0.560)。主成分3的贡献率范围为9.88%～13.90%,高氮水平下,主成分3主要包含了茎的氮素累积及利用信息,指向性指标为茎氮含量(0.906)、茎氮利用效率(-0.913);正常氮水平下,主成分3主要包含了根系物质积累的信息,指向性指标为根鲜重(0.611)和根干重(0.693)。低氮水平下,主成分3主要包含了叶的物质积累的信息,指向性指标为叶氮含量(-0.660)、叶氮利用效率(0.640)。主成分4的贡献率范围为6.66%～9.44%,高氮水平下,主成分4的指向性指标为叶氮含量(-0.607)、叶氮利用效率(0.504);正常氮和低氮水平下,主成分4主要包含了根对氮的累积及利用信息,指向性指标为根氮含量(-0.504～0.538)和根氮利用效率(-0.559～0.747)。

2.4 隶属函数分析与氮高效品种评价

由图2可见:基于主成分分析结果中的综合指标值(F),采用隶属函数法计算每个成分的隶属函数值(U),再基于每个指标的权重得到每个菊花品种的评分值(D),其中,‘南农紫峰’‘南农雪峰’‘南农单金翠’‘南农岱华’和‘南农绿意’在3个氮水平下的评分值均较低,为0.09～0.43,为苗期氮低效品种;‘南农丽黄’‘南农小金帽’‘南农丰收’‘南农旭日’和‘南农庐月’在3个氮水平下评分较高,为0.58～0.88,为苗期氮高效品种。‘南农紫峰’在不同氮水平下评分较低,最高评分0.27,且生长势较弱,为供试切花菊中苗期表现较稳定的氮低效品种;‘南农丽黄’在不同氮水平下评分较高,最低评分0.85,同时,‘南农丽黄’在低氮水平下具有发达的根系和较强的生长势,为供试切花菊中苗期最优氮高效品种。

图2 不同供氮水平下28个切花菊品种的响应热图(a)以及‘南农紫峰’(b)和‘南农丽黄’(c)的表型(40 d)Fig.2 Response heat diagram of 28 cut chrysanthemum varieties and phenotypes(a)of ‘Nannongzifeng’(b) and‘Nannonglihuang’(c)under different nitrogen levels(40 d)

2.5 不同氮水平下氮高效品种与氮低效品种的氮素营养特性差异

由表3可知:高氮水平下,5个氮高效品种在茎粗、叶鲜重、茎鲜重、茎干重和茎氮吸收效率等指标上显著高于5个氮低效品种(P<0.05),说明氮高效品种在地上部物质积累和茎氮吸收效率上表现出较高的优势。10个菊花品种地上部的氮吸收效率随氮含量的增加而增加,植株各部位氮利用效率随氮含量的增加而降低。氮高效品种具有较高的地上部氮吸收效率及物质积累量,氮低效品种的茎氮利用效率高于氮高效品种,二者在地上部氮吸收效率指标及茎氮利用效率指标上的响应具有规律性,在叶与根的氮利用效率指标上的规律不太明显,说明高氮条件下,菊花苗期的氮效率是由地上部的氮吸收效率所决定的,茎的氮效率指标占有重要地位。正常氮水平下,5个氮高效品种在茎粗、叶鲜重、茎鲜重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率等指标上显著高于氮低效品种。地上部氮吸收效率随氮含量的增加而增加,植株各部位氮利用效率随氮含量的增加而降低。氮高效菊花品种的各部位物质积累量、地上部分氮含量和氮吸收效率较高,说明正常氮条件下,地上部指标对菊花苗期氮效率贡献较大,氮高效品种具有较高的地上部物质积累、氮素吸收与累积能力。低氮水平下,氮高效品种在株高、茎粗、叶鲜重、茎鲜重、根鲜重、叶干重、茎干重、根干重、根氮含量、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率及根氮吸收效率等指标上均显著高于氮低效品种,氮低效品种在氮素的吸收与累积上低于氮高效品种,在氮素的利用效率上显著高于氮高效品种,这表明氮高效品种在低氮水平下具有较高的物质积累、氮素的累积与吸收能力。相较于高氮与正常氮水平,低氮水平下,氮高效品种根系的鲜干重、氮素累积量及氮素吸收效率显著高于氮低效品种,10个菊花品种各部位的氮吸收效率随氮含量的增加而增加,氮利用效率随氮含量的增加而降低。不同氮效率品种各部位的生理指标和氮效率指标表现出的规律具有显著性和一致性,说明低氮水平激发了氮高效品种根系对物质的积累、氮素的吸收与累积能力,可以增加品种间的差异,适用于筛选氮高效种质。

表3 不同供氮水平下5个氮高效品种与5个氮低效品种间17个指标的多重比较分析Table 3 Multiple comparison of 17 indexes among five nitrogen efficient and five nitrogen inefficient varieties under different nitrogen levels

续表3 Table 3 continued

3 讨论

不同作物的氮素营养特性与作物基因型和栽培环境密切相关。在番茄[4]、紫花苜蓿[5]、小麦[7]、玉米[8]等作物上的研究证实,不同作物不同基因型的氮素营养特性差异显著。本研究发现,不同供试切花菊品种的各生理指标及氮效率指标在不同氮水平下均表现出较大的差异性,这与前人的研究结果一致[4-8],表明菊花的氮素营养遗传特性在不同品种间的变异较大。高氮和正常氮水平下株高、茎粗、植株各部位鲜干重等生长指标的变异系数相近,低氮水平下各生理指标及氮效率指标的变异较大、相关性增强,表明低氮水平可以有效区分不同菊花品种间的差异,更适于筛选氮高效菊花品种,这与孙梦蹊[4]在潘那利番茄中的研究结果相一致。

氮吸收效率和氮利用效率组成的氮效率是衡量氮高效品种的核心指标[5]。本研究中,菊花的氮吸收效率指标与株高、茎粗、地上部鲜重、地上部干重和地上部氮含量等指标间显著正相关(P<0.05),氮利用效率则与各生理指标及氮吸收效率指标间呈现一定的负相关性,规律不明显,表明菊花苗期氮效率的变化主要是由氮吸收效率的差异引起的,这与Shi等[10]在水稻中的研究结果相似。郝凤[5]根据正常氮和低氮培养条件下各指标的变异特征和相关关系,初步确定了地上部干重、单株干重、根长、根体积、地上部氮积累量和单株氮积累量为紫花苜蓿苗期氮效率的评价指标;崔文芳等[8]以耐低氮胁迫指数和施氮肥条件下的产量为主要筛选指标,以不施氮肥条件下,灌浆期茎叶总氮量、吐丝期穗位叶SPAD值和氨基酸浓度为辅助筛选指标,进行超高产氮高效玉米杂交种的选择。由于菊花与上述作物生长规律、经济产量和收获目标不同,因此菊花苗期所采用的评价指标不完全相同。本试验设置菊花生长的不同氮水平,通过相关性分析和主成分分析,发现茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率等指标间具有极显著的相关性,在综合指标中占较高的比重,可分别表征菊花苗期地上部的物质积累及氮效率信息。苗期氮素吸收量对作物生长发育起关键作用[19]。方馨妍等[20]研究表明,营养器官的养分将在切花菊生育后期转移到花器官中,以促进花的生长发育和花品质的形成。因此,切花菊生长苗期的物质积累及氮效率高低对生育后期的品质和产量形成具有较大贡献,可作为筛选氮高效菊花品种的评价标准,故初步确定筛选菊花苗期氮高效品种的指标为茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶干重、茎干重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率。

典型的氮高效种质体现在不同氮环境下均可高效吸收和利用氮素营养[9]。本研究发现,在不同供氮水平下,5个氮高效品种的株高、茎粗、地上部鲜干重、地上部分氮素吸收效率和氮含量等指标表现出较高的优势,表明氮高效品种在各种氮环境下均具有较高的地上部物质积累、氮素的累积与吸收能力;低氮条件下,氮高效品种根系的物质积累、氮素吸收及累积量显著高于氮低效品种,表明氮高效品种在低氮胁迫下促进根系的生长,从而汲取更多的养分,低氮胁迫可以激发氮高效菊花品种对氮素的吸收与转化能力。Subudhi等[21]研究表明,相比于‘Bengal’(粳稻),‘Pokkali’(籼稻)在低氮条件下的优异生长表现可能是由一组与根系生长发育和氮效率有关基因的特异表达导致的,这些基因通过调节根系构型来影响氮的吸收。有关菊花氮高效品种在低氮条件下氮素利用的分子机制有待进一步研究。

综上所述,本试验选用28个不同家系的菊花品种,确定了‘南农丽黄’‘南农小金帽’‘南农丰收’‘南农旭日’和‘南农庐月’为苗期氮效率较高的5个品种,构建了以低氮筛选为前提,叶干重、茎干重、茎粗、叶鲜重、茎鲜重、叶氮吸收效率、茎氮吸收效率为筛选指标的菊花苗期氮效率评价体系。与传统的氮高效菊花种质筛选方法相比,本研究的筛选结果更加系统科学,建立的评价体系具有真实性高、重复性强、方便快捷等特点,为菊花的高产栽培及氮高效种质选育提供了优良的资源储备。